Thesis defence of Oumayma Belkhadra (RMS team): One-shot calibrated Power amplifier in advanced CMOS technology for automotive radar

Oumayma BELKHADRA - RMS team

Direction of the thesis
Sylvain BOURDEL - Thesis director - Full professor - TIMA Laboratory
Manuel BARRAGAN - Thesis co-director - Researcher - TIMA Laboratory
Emmanuel PISTONO - Thesis co-director - Associate professor - TIMA Laboratory
Salvador MIR - Thesis co-supervisor - Research director - TIMA Laboratory

Rapporteurs
Éric KERHERVÉ - Rapporteur - Full professor - Université de Bordeaux
Gildas LÉGER - Rapporteur - Senior scientist - Université de Séville

Composition of the jury
Sylvain BOURDEL - Thesis director - Full professor - TIMA Laboratory
Manuel BARRAGAN - Co-thesis director - Researcher - TIMA Laboratory
Éric KERHERVÉ - Rapporteur - Full professor - Université de Bordeaux
Gildas LÉGER - Rapporteur - Senior scientist - Université de Séville
Hervé BARTHÉLÉMY - Examinator - Full professor - Université de Toulon
Florence AZAIS - Examinator - Researcher - CNRS
Salvador MIR - Guest - Research director - TIMA Laboratory
Emmanuel PISTONO - Guest - Associate professor - TIMA Laboratory

Title: One-shot calibrated Power amplifier in advanced CMOS technology for automotive radar
Keywords: Integrated circuits, Process variations, Calibration, Intrusive, Millimeter-waves, Non intrusive
Abstract: CMOS millimeter-wave radars (76–81 GHz) for ADAS remain constrained by low device breakdown voltage, BEOL losses at 79 GHz, and process variability, which degrade output power, gain, PAE/DE, and robustness while increasing test and calibration time. This thesis proposes a one-shot calibration framework for mm-wave power amplifiers based on fusing low-frequency/DC signatures from integrated monitors, both moderately intrusive and non-intrusive, to avoid iterative loops and minimize RF impact. The framework addresses: (i) defect detection, (ii) assessment of output matching via supervised learning, and (iii) performance re-centering under PVT variations. A broadband analytical model of a transformer-based combiner, validated beyond 160 GHz, is introduced to accelerate design. A 4-way differential 79 GHz CMOS PA was fabricated (30 dB gain, Psat = 17 dBm, peak PAE = 23% at Pdc = 194 mW, 0.31 mm²). On-chip instrumentation (magnetically coupled reflectometer, peak detectors, ring oscillators) acquires signatures that track local and global process variations without disturbing the RF chain. Across 32 dies, the one-shot calibration directly predicts settings among 144 states with RMS errors of 0.17 dB (gain), 0.19 dBm (Psat), and 0.77%/0.68% (PAE/DE), achieving improvements up to 0.66%/0.62% in PAE/DE after feature selection study.

Titre : Amplificateur de puissance à calibration 'One shot' en technologie CMOS avancée pour radar automobile
Mots-clés : Circuits intégrés,Non intrusif, Calibrage, Variations de process, Intrusif, Ondes millimétriques
Résumé : Les radars millimétriques CMOS (76–81 GHz) pour l’ADAS restent contraints par la faible tenue en tension, les pertes BEOL à 79 GHz et la variabilité de procédé, qui dégradent puissance, gain, PAE/DE et robustesse tout en alourdissant test et calibration. Cette thèse propose un cadre de calibration « one-shot » pour PAs mm-ondes fondé sur la fusion de signatures basse fréquence/DC issues de moniteurs intégrés, moyennement intrusifs et non intrusifs, afin d’éviter les boucles itératives et de limiter l’impact RF. Le cadre couvre : (i) détection de défauts, (ii) évaluation de l’adaptation de sortie par apprentissage supervisé, (iii) recentrage des performances sous variations PVT. Un modèle analytique large bande de combinateur par transformateur, validé >160 GHz, a été proposé permettant d'accélèrer la conception. Un PA CMOS différentiel 4-voies à 79 GHz a été réalisé (30 dB de gain, Psat = 17 dBm, PAE de 23 % pour Pdc = 194 mW, 0,31 mm²). L’instrumentation embarquée (réflectomètre à couplage magnétique, détecteurs de crête, oscillateurs en anneau) acquiert des signatures pemettant de suivre les variations de process locales et globales sans perturber la chaîne RF. Sur 32 circuits, la calibration en une passe infère directement les réglages parmi 144 états avec des erreurs moyennes de 0,17 dB (gain), 0,19 dBm (Psat), 0,77 %/0,68 % (PAE/DE), et atteint jusqu’à +0,66 %/+0,62 % sur PAE/DE après sélection de signatures.